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量子世界惊现"负时间"：光子在原子激发态中的时间悖论

热点资讯 2025年09月24日 20:40 1 admin
量子世界惊现"负时间"：光子在原子激发态中的时间悖论

国际物理学家团队在最新研究中发现，光子在穿越原子云并激发原子时所消耗的时间可能为负值，这一颠覆直觉的发现挑战了我们对时间本质的传统理解。这项刊登在《APL Quantum》期刊上的研究结果，虽然不会导向科幻小说中的时间旅行，却为量子力学领域开辟了全新的探索方向。

该研究源于加拿大多伦多大学物理学家阿夫赖姆·斯坦伯格团队在2022年进行的一项实验观测。当时研究人员发现，激发原子云中电子的光子与直接穿过原子云而未发生相互作用的光子，在通过时间上表现出令人困惑的相似性。这一意外发现促使国际研究团队深入探讨其背后的理论机制。

弱测量技术揭示时间奥秘

为了理解这一现象，来自美国麻省理工学院、澳大利亚格里菲斯大学和印度科学教育研究所的科学家与斯坦伯格团队合作，建立了全新的理论框架。他们采用"弱探针"技术持续监测原子云状态，通过检测云中任何位置的原子激发存在与否，精确测量光子在激发态中停留的时间。

量子世界惊现"负时间"：光子在原子激发态中的时间悖论

令人惊讶的发现新结果让研究人员更深入地思考“负时间”的含义。（图片提供：iStock/FlashMovie）

这种弱测量方法的核心在于通过积分弱探针信号随时间的变化，量化光子在离开原子前在激发原子态中的停留时间。令研究团队自己都感到意外的是，计算结果显示平均激发时间可能呈现负值，且这一激发时间与另一个更为熟悉的物理量——群延迟时间——完全相同。

格里菲斯大学的首席理论家霍华德·怀斯曼指出，区分这两种时间概念至关重要。负群延迟可以通过相对直观的方式解释：光子脉冲的前沿部分在脉冲峰值进入原子云之前就已离开原子云，而峰值部分因大多数光子被散射而永远无法离开，因此产生了光子"在到达之前就已离开介质"的错觉。

然而，怀斯曼强调，该框架实际测量的是透射光子在原子云中的停留时间，并未涉及这些光子是否真正激发了穿越路径上的原子。传统观点认为，任何激发原子的光子都会发生随机散射且永远无法到达探测器，但新研究表明"前向散射光子实际上对平均测量贡献巨大"。

精密实验验证理论预测

为验证理论预测，斯坦伯格团队设计了一项复杂的实验装置。他们将两束反向传播的激光束发射到冷却至60-70微开尔文的铷-85原子云中。第一束激光包含可能引起原子激发的光子，这些光子可能被透射或散射；第二束激光用于弱测量，通过检测其相位的微小变化来探测激发态的存在。

这种高精度测量要求实验装置的所有组件都达到极高的稳定性水平并将干扰降至最低。经过系统优化后，研究人员成功测量了透射光子的平均原子激发时间。结果显示，最窄带脉冲的激发时间为(-0.82 ± 0.31)τ₀，而最宽带脉冲的激发时间为(0.54 ± 0.28)τ₀。这里τ₀代表散射光子和透射光子的平均激发时间，始终为正值，范围在10-20纳秒之间。

这些实验结果确认了负激发时间在量子测量中确实具有物理现实性，为理论预测提供了有力支撑。

重新审视时间的物理意义

斯坦伯格坦言，尽管他和同事们此前就知道数学计算可能产生负数结果，但通常倾向于忽略这些结果，认为它们虽然能正确描述脉冲峰值位置，但在物理上并无实际意义。"我现在被引导重新审视这一点，这些负数似乎具有我们以前未曾认识到的物理意义，"他表示希望"开始更深入地研究我们所理解的'负时间'的真正含义"。

这一发现对量子力学理论产生了深远影响。英国纽卡斯尔大学量子物理学家琼特·汉斯虽未参与此项研究，但他警告过于字面化解释负时间可能导致物理学运行所必需的悖论。不过，他认为弱测量中记录的"异常"数值"表明某些有趣的量子现象正在发生"。

汉斯进一步解释，透射光子平均原子激发时间的负值意味着"上下文性"——量子系统的一种特性，即如果假设测量系统对被测系统无任何影响，以不同方式测量同一系统可能使其表现出不兼容的特性。"上下文性似乎是量子场景可能为我们在某项任务上提供优势的明显迹象之一，相比完成该任务的所有可能经典方法，"他表示对其应用前景感到兴奋。

这项研究不仅挑战了我们对时间流逝的传统认知，还为光-物质相互作用和量子传感技术的发展开辟了新的研究方向。虽然"负时间"现象无法实现时间旅行或其他科幻效应，但它为理解量子世界的深层机制提供了宝贵的洞察，可能在未来的量子技术发展中发挥重要作用。

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